基于Dynamo的Revit-Midas/Civil斜拉橋模型信息轉(zhuǎn)換

關(guān)鍵詞：斜拉橋；模型轉(zhuǎn)換；Dynamo混合編程；Revit；Midas/Civil

中圖分類號：TP312；TU391 文獻標(biāo)志碼：A

在建筑結(jié)構(gòu)尤其是橋梁結(jié)構(gòu)日益大型化、規(guī)模化、復(fù)雜化的今天［1］，BIM（Building Information Modeling）技術(shù)的正向應(yīng)用使得信息傳遞變得更為順暢、完整［2-5］，而且攜帶信息的BIM模型可以繼續(xù)應(yīng)用于施工和運維階段，使得BIM不僅可作為設(shè)計階段的工具，更可作為整個建造周期的工具［6］. 然而現(xiàn)在的BIM 建模軟件不具備專業(yè)有限元分析功能，且BIM模型同有限元軟件之間的信息轉(zhuǎn)換并不通暢，這使得在BIM正向應(yīng)用過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員必須分別建立兩個模型，導(dǎo)致時間成本高、重復(fù)性強、建模效率低［7］，而且還可能出現(xiàn)兩個模型物理信息不一致的問題.

BIM模型集成了建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的三維尺寸、空間位置、材料特性等幾何物理信息［8-9］，能夠較為完整地表達出設(shè)計結(jié)果，而有限元軟件可以為我們提供構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等力學(xué)分析結(jié)果，通過對BIM模型的二次開發(fā)提取結(jié)構(gòu)分析所需的結(jié)構(gòu)建模信息，并傳遞至有限元軟件，可以使BIM模型更好地實現(xiàn)正向應(yīng)用［10-11］.

常用的橋梁工程BIM及有限元建模軟件分別是Revit和Midas/Civil［12-14］.文獻［15］利用Dynamo 將橋梁中心線以及截面信息以.dxf 格式傳輸給Midas/Civil實現(xiàn)模型轉(zhuǎn)換；文獻［16-17］使用C#語言借助Revit API獲取Revit橋梁模型預(yù)設(shè)的截面參數(shù)與材料特性，實現(xiàn)Revit向Midas/Civil的信息轉(zhuǎn)換，但由于沒有計算截面特性，故只能適用于Midas/Civil標(biāo)準(zhǔn)截面，且需要提前在Revit模型中預(yù)設(shè)截面參數(shù)；文獻［18］對比了Revit和Midas/Civil的交互方式，提出使用Dynamo和MCT實現(xiàn)兩個軟件之間的信息交互，并實現(xiàn)Midas/Civil向Revit節(jié)點信息的轉(zhuǎn)換；文獻［7］提出基于皮爾森系數(shù)的區(qū)域生長算法，對Revit模型構(gòu)件進行分解，將三維的Revit 構(gòu)件轉(zhuǎn)換為Midas/Civil桿系模型；文獻［1］在文獻［16］的基礎(chǔ)上添加了施工階段信息的傳遞；文獻［19］提出使用三角單元法實現(xiàn)Revit構(gòu)件截面特性的計算與轉(zhuǎn)換.關(guān)于有限元分析結(jié)果反饋至Revit模型并且進行可視化展示的研究很少.

本文結(jié)合已有方案，在既有Revit橋梁模型的基礎(chǔ)上，提出基于Dynamo實現(xiàn)：1）Revit模型構(gòu)件分解、截面特性計算、材料參數(shù)提取、拉索及梁塔彈性連接處理，并將之轉(zhuǎn)換為Midas/Civil建模MCT格式數(shù)據(jù)；2）Midas/Civil有限元分析結(jié)果反饋至Revit模型，實現(xiàn)有限元數(shù)據(jù)可視化.

1 模型轉(zhuǎn)換程序開發(fā)

1.1 開發(fā)工具

Revit除了可以使用GUI對構(gòu)件創(chuàng)建修改外，其開放的API接口為外部程序的訪問提供了極大的方便.基于Revit API.dll和Revit APIUI.dll程序集，可以深入訪問Revit底層數(shù)據(jù)庫，獲取模型的幾何和非幾何信息.Revit API 是.NET 類型的，只要支持.NETFramework 的語言都可以訪問，故C#、Visual Basic、Visual C++以及安裝了.NET綁定庫的Python都可以調(diào)用.采用這些方法訪問或修改構(gòu)件信息，其本質(zhì)都是對Revit API操作.

本文以Revit 2022 為BIM 建模平臺，利用Revit擴展應(yīng)用Dynamo2.10 訪問Revit API 的方式進行二次開發(fā)，并選擇IronPython2為編程語言，提出了一種Revit-Midas/Civil模型交互方法（見圖1）.

1.2 開發(fā)流程

Midas/Civil有限元模型的建立要素大致可以分為：1）建立節(jié)點、單元；2）賦予邊界條件；3）定義截面特性；4）選擇材料力學(xué)參數(shù).這些信息都可以用程序從Revit中獲取.利用Dynamo二次開發(fā)對數(shù)據(jù)進行提取與轉(zhuǎn)存，實現(xiàn)Revit與Midas/Civil之間的模型轉(zhuǎn)換.MCT是兩者之間數(shù)據(jù)載體，因此從Revit中提取出來的信息必須遵循MCT文件規(guī)范，程序開發(fā)流程如圖2所示.轉(zhuǎn)換具體步驟如下：

1）模型創(chuàng)建并處理.BIM 模型尤其是鋼箱梁橋模型中多了很多有限元模型創(chuàng)建時不需要的構(gòu)件，比如過人孔、橫隔板加勁等.這些構(gòu)件在有限元模型建立中并不必要，且對后續(xù)的構(gòu)件分解會產(chǎn)生較大影響，需提前將這些構(gòu)件從主體結(jié)構(gòu)中分離出來.

2）材質(zhì)獲取與構(gòu)件分解.通過窗口選擇并過濾出需要的構(gòu)件實例，并將之傳輸至Dynamo空間中.遍歷構(gòu)件以下信息：①獲取構(gòu)件的材料信息；②通過計算Pearson系數(shù)方式尋找構(gòu)件變截面點，截取變截面點處截面輪廓.具體流程如圖3所示.

3）通過三角分塊法計算截面特性.橋梁結(jié)構(gòu)中，不管是上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)還是樁基礎(chǔ)，構(gòu)件截面都可以用多個封閉輪廓來表達.實心截面由一個封閉輪廓構(gòu)成，空心截面需要有多個封閉輪廓，定義輪廓中最外層的為外輪廓，其余統(tǒng)稱為內(nèi)輪廓.如圖4（a）中的箱梁截面，截面由一個外輪廓、一個內(nèi)輪廓構(gòu)成.

在三角單元劃分完成之后，在已知三角單元三個角點坐標(biāo)的情況下［見圖4（b）］，可以計算出該三角單元的面積A_i、單元對X軸面積矩S_xi以及單元對X軸慣性矩I_xi.

4）整合構(gòu)件信息.獲取各個構(gòu)件的節(jié)點坐標(biāo)、截面特性、材料信息之后，由于相鄰構(gòu)件建模時緊貼在一起，故需清除重復(fù)信息.將各構(gòu)件信息整合在一起，然后以MCT 格式輸出文件并存放至預(yù)先選擇路徑.

5）有限元模型建立.Midas/Civil 軟件通過讀取MCT文件建立有限元模型，對于Revit模型中支座、荷載、施工階段等缺失的信息，可以在生成的有限元模型上手動添加.

6）有限元分析及反饋.有限元計算分析完成后，將需要的計算結(jié)果導(dǎo)出至Excel 文件中，通過Dynamo讀取該文件作為Revit原始模型的變化信息，并對變化信息按數(shù)值大小賦予漸變顏色，實現(xiàn)在BIM模型中顯示有限元分析結(jié)果的展示功能.

2 模型轉(zhuǎn)換方法驗證

為驗證本文方法的可行性，以博士大橋主橋為例進行驗證.主橋橋型為獨塔雙索面斜拉橋，跨徑布置為2×100 m，主塔采用人字形，主梁采用分離式鋼箱梁，斜拉索采用馬鞍形索面，大橋結(jié)構(gòu)采用漂浮體系，塔墩固結(jié)，塔梁分離.建立的全橋以及箱梁Revit模型見圖5和圖6.

2.1 構(gòu)件材料信息提取

Revit中族實例的材質(zhì)屬性存儲于結(jié)構(gòu)材質(zhì)這一參數(shù)中，該參數(shù)是可讀可更改的，Revit開放了該參數(shù)的API接口，故可以通過Dynamo訪問修改族實例的材質(zhì)參數(shù).

博士大橋Revit模型鋼結(jié)構(gòu)部分為Q345 材質(zhì)，混凝土部分為C50，由程序讀取材料參數(shù)如表1 所示.Dynamo獲取材質(zhì)程序執(zhí)行過程界面如圖7所示.

2.2 構(gòu)件截面信息獲取

截取Revit模型中鋼箱梁（見圖8）為例，用本文程序計算其截面特性，得到本文結(jié)果，另采用CAD繪制截面導(dǎo)入Midas/Civil，采用其SPC截面特性計算器進行計算，兩者計算結(jié)果對比如表2所示，結(jié)果表明計算精度滿足要求.

經(jīng)整合橋梁線形、截面特性、拉索及梁塔彈性連接等數(shù)據(jù)之后，博士大橋Midas/Civil有限元模型如圖10所示.

手動添加支座、拉索張拉力等計算參數(shù)后，取一次成橋狀態(tài)進行有限元計算（計算結(jié)果見圖11），并將有限元分析結(jié)果以Excel表格輸出.

為了驗證本文模型轉(zhuǎn)換的正確性，與采用Mi?das/Civil 軟件直接建模分析的結(jié)果對比，如表4 所示.限于篇幅，表中僅列出兩種方法計算的主梁撓度、應(yīng)力最值，主塔應(yīng)力和典型索力值，結(jié)果表明相對誤差基本在5%以內(nèi)，滿足計算精度要求.

2.5 有限元結(jié)果反饋與展示

通過Dynamo讀取Excel表格的計算結(jié)果，經(jīng)格式轉(zhuǎn)換并輸入Revit模型作為作用效應(yīng)信息，并將作用效應(yīng)信息按其數(shù)值大小賦予漸變顏色.以一次成橋施工階段主梁Z 方向位移沿X 軸變化情況為例，如圖12所示，顏色越紅表示Z 方向正向位移越大，由圖可知主梁在遠離橋塔位置處Z向位移大.

3 結(jié)論

1）本文提出一種Revit與Midas/Civil間的模型數(shù)據(jù)交互方法，即通過Dynamo-IronPython 訪問RevitAPI的方式，編寫了模型轉(zhuǎn)換程序，獲取Revit模型中構(gòu)件的節(jié)點、材料、截面等信息，并將其轉(zhuǎn)換為Mi?das/Civil軟件語言格式MCT文件，實現(xiàn)了兩種模型之間的轉(zhuǎn)換.

2）有限元計算結(jié)果導(dǎo)出至Excel 文件，通過Dynamo讀取該文件作為Revit原始模型的變化信息，并對變化信息按數(shù)值大小賦予漸變顏色，實現(xiàn)了在BIM模型中顯示有限元分析結(jié)果的展示功能.通過在博士大橋上的應(yīng)用，驗證了模型轉(zhuǎn)換方法與程序的可行性.

3）由Revit模型直接轉(zhuǎn)換為有限元模型，避免了分別建模可能產(chǎn)生模型物理信息不一致的弊端，并且提高了建模效率，也彌補了BIM技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)分析方面的不足.